古代岩石提供了地球早期歷史的線索
古代岩石提供了地球早期歷史的線索
研究人員發現氧氣何時何地開始上升
氧氣以氧氣分子(O2)的形式存在於地球的大氣和海洋中。氧氣是由植物產生的，對動物至關重要。然而，研究地球上氧氣歷史的研究人員知道，在地球存在的46億年里，氧氣相對稀少。那麼氧氣是何時何地開始在地球上形成的呢?
通過研究古代岩石，研究人員確定，在25億至23億年前的某個時候，地球經歷了科學家們所稱的「大氧化事件」或簡稱「GOE」。從那時起，氧氣首先在地球大氣中積累，並一直存在。然而，通過在這一研究領域的大量研究，已經有證據表明，在GOE之前，地球古老的淺海的小區域中存在少量的氧氣。在最近發表在《自然地球科學》(Nature Geoscience)雜誌上的一項研究中，亞利桑那州立大學(Arizona State University, ASU)科學家領導的一個研究小組提供了令人信服的證據，證明在GOE發生之前，海洋在更大範圍和更深的深度上發生了顯著的氧化作用。
在這項研究中，研究小組瞄準了一組來自澳大利亞西部的25億年前的海洋沉積岩——麥克雷頁岩。ASU地球與空間探索學院的Chadlin Ostrander是這項研究的主要作者，他說:「這些岩石非常適合我們的研究，因為之前的研究表明，它們是在大氧化事件之前的一個異常的氧合階段沉積下來的。」頁岩是沉積岩，在地球過去的某個時候，沉積在遠古海洋的海床上。在某些情況下，這些頁岩含有它們所沉積的遠古海洋的化學指紋。
在這項研究中，Ostrander在一個乾淨的實驗室中溶解頁岩樣品和分離的感興趣的元素，然後在質譜儀上測量同位素組成。這一過程是在伍茲霍爾海洋研究所(馬薩諸塞州)的共同作者Sune Nielsen的幫助下完成的;佛羅里達州立大學的傑里米·歐文斯;滑鐵盧大學(加拿大安大略省)的布萊恩·肯德爾;ASU地球與太空探索學院的科學家格溫妮絲·戈登和斯蒂芬·羅曼尼羅;以及亞利桑那州立大學地球與空間探索學院和分子科學學院的Ariel Anbar。數據收集花了一年多的時間，利用了伍茲霍爾海洋研究所、佛羅里達州立大學和亞利桑那州立大學的設施。
利用質譜儀，研究小組測量了麥克雷頁岩的鉈和鉬同位素組成。這是首次在同一組頁岩樣品中同時測定兩個同位素系統。正如所假設的那樣，一種可預測的鉈和鉬同位素模式出現了，這表明在古海洋的大部分地區，錳氧化物礦物埋藏在海底。要使這種埋葬發生，氧氣必須在25億年前一直存在到海底。
這些發現提高了科學家對地球海洋氧合歷史的理解。在GOE之前，O2的積累可能並不局限於表層海洋的一小部分。更有可能的是，氧氣的積累擴展到海洋的大部分區域，並延伸到海洋深處。在其中一些地區，氧氣的積累似乎一直延伸到海底。
「我們的發現迫使我們重新思考地球最初的含氧量，」Ostrander說。許多證據表明，在大約25億年前的GOE期間，氧氣開始在地球大氣中積累。然而，現在很明顯，地球最初的氧合是一個根植于海洋的故事。根據我們的數據，氧氣可能早在大氣中積累之前就已經在地球的海洋中積累到相當高的水平了。
「現在我們已經知道O2是何時何地開始形成的，下一個問題是為什麼」ASU校長的教授兼合著者Anbar說。「我們認為產生氧氣的細菌早在氧氣在大氣中形成之前就已經在海洋中繁殖了。是什麼導致了這種增長?這就是我們下一步的工作。
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